紅橙自動(dòng)分級(jí)裝備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)*

梁卓賢 ，郭延艷 ，何萬(wàn)濤

（嶺南師范學(xué)院，廣東 湛江 524048）

0 引言

在我國(guó)，擁有種類豐富、品質(zhì)優(yōu)良的各類橙子，如黔陽(yáng)冰糖橙、鄰水臍橙、瓊中綠橙等。同時(shí)，在廣東省廉江市也有一種譽(yù)為中國(guó)國(guó)家地理標(biāo)志性產(chǎn)品的廉江紅橙。廉江紅橙是廣東省廉江市特產(chǎn)，產(chǎn)地范圍處于廣東省廉江市青平鎮(zhèn)等八個(gè)行政區(qū)域，廉江紅橙在當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)和農(nóng)村經(jīng)濟(jì)發(fā)展中有著十分重要的地位。目前，紅橙以鮮果采摘銷售為主要售賣途徑，因?yàn)榉N植戶多數(shù)是個(gè)體戶，以小家庭生產(chǎn)為主，所以采后處理水平較低，通常采用人工篩選分級(jí)處理，不僅浪費(fèi)人力，且分級(jí)效果不佳、效率低，使得水果產(chǎn)后處理成本增高、品質(zhì)低并且不能實(shí)現(xiàn)紅橙的優(yōu)質(zhì)優(yōu)價(jià)，缺乏市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力[1]。相較于人工篩選，機(jī)械式自動(dòng)分級(jí)具有效率高、速度快的特點(diǎn)，對(duì)水果分級(jí)有明顯優(yōu)勢(shì)[2]。市面上已有的水果自動(dòng)分級(jí)裝備雖自動(dòng)化程度高、效率高，但體積大、價(jià)格高，并不適合小規(guī)模的農(nóng)戶使用，所以需要一款體積小、價(jià)格低、維護(hù)成本低、速度快且效率高的適合散戶使用的紅橙自動(dòng)分級(jí)裝備。

本課題研究的是滾筒式紅橙自動(dòng)分級(jí)機(jī)裝備，能有效提高紅橙的分級(jí)效率，減少人力的浪費(fèi)，且分級(jí)裝備具有使用壽命長(zhǎng)、成本低、易維護(hù)、機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，在水果分級(jí)篩選過(guò)程中能保證紅橙的質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)紅橙的優(yōu)質(zhì)優(yōu)價(jià)。作為一款簡(jiǎn)單便捷且成本低的水果分級(jí)裝備，其具有重要的研究意義與應(yīng)用價(jià)值，能滿足小型橙子種植戶對(duì)于橙子的分級(jí)要求，實(shí)現(xiàn)降低成本的目的，增加果農(nóng)收入。

1 紅橙自動(dòng)分級(jí)裝備的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 整體方案設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)自動(dòng)分級(jí)裝備的目的是提高水果的分級(jí)效率。將紅橙分為5 個(gè)等級(jí)，紅橙直徑≤40 mm 為小果，40 mm~50 mm（含）為中小果，50 mm~60 mm（含）為中果，60 mm~70 mm（含）為大果，﹥70 mm為特大果。滾筒式自動(dòng)分級(jí)裝備的整體結(jié)構(gòu)主要分為傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、分級(jí)機(jī)構(gòu)、支撐固定結(jié)構(gòu)、水果喂入和輸出結(jié)構(gòu)，其整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 滾筒式紅橙自動(dòng)分級(jí)裝備整體結(jié)構(gòu)

1.2 主要機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.2.1 分級(jí)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的分級(jí)裝備采用多級(jí)滾筒分級(jí)機(jī)構(gòu)[3]，多級(jí)滾筒分級(jí)裝備應(yīng)用廣泛，不僅用于蔬菜水果和干果分選，還應(yīng)用于輕工業(yè)等行業(yè)中固態(tài)顆粒的篩選。滾筒式分級(jí)裝備具有結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、使用壽命長(zhǎng)、維護(hù)方便等特點(diǎn)，其結(jié)構(gòu)如圖2 所示。分級(jí)機(jī)構(gòu)主要由支架、鏈輪、鏈條、滾筒、分果槽、摩擦輪和干輪構(gòu)成，其原理是由電機(jī)帶動(dòng)主動(dòng)鏈輪轉(zhuǎn)動(dòng)，鏈輪與鏈條嚙合傳動(dòng)，帶動(dòng)從動(dòng)鏈輪轉(zhuǎn)動(dòng)，從動(dòng)鏈輪與滾筒由傳動(dòng)軸相連，進(jìn)而帶動(dòng)四個(gè)滾筒勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)紅橙的尺寸小于滾筒孔徑時(shí)掉落到分果槽上，尺寸較大的紅橙在滾筒的帶動(dòng)下繼續(xù)向下一級(jí)滾筒滾動(dòng)[3]。

圖2 分級(jí)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)

1.2.2 滾筒結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

滾筒的材料為硬質(zhì)塑料，其結(jié)構(gòu)采用網(wǎng)孔式。區(qū)別于柵條式滾筒，網(wǎng)孔式滾筒不用設(shè)置一定的傾斜角度，各個(gè)分級(jí)滾筒的尺寸一致，直徑都為250 mm，根據(jù)滾筒的孔徑大小從小到大依次排列設(shè)置在支架上。根據(jù)分選的目標(biāo)將紅橙分為5 級(jí)，因此設(shè)置四個(gè)等級(jí)的滾筒，一級(jí)滾筒的孔尺寸為40 mm，二級(jí)滾筒的孔尺寸為50 mm，三級(jí)滾筒的孔尺寸為60 mm，四級(jí)滾筒的孔尺寸為70 mm，大于70 mm的紅橙會(huì)被第四級(jí)滾筒帶到最后一個(gè)分果槽上，以此完成5級(jí)的分選。

1.2.3 分果槽的設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的分級(jí)機(jī)構(gòu)采用的是內(nèi)置分果槽滾筒式分級(jí)機(jī)構(gòu)[4]，滾筒的直徑與分果槽寬度接近，這樣設(shè)計(jì)使得分果槽與滾筒內(nèi)壁的縫隙較小，結(jié)構(gòu)緊湊，避免分級(jí)出來(lái)的紅橙從縫隙掉出而不落到分果槽上。分果槽通過(guò)鋼管支架以一定的傾斜度銜接在滾筒內(nèi)部，當(dāng)紅橙從分級(jí)孔掉落到分果槽上時(shí)，紅橙由于重力作用而發(fā)生滾動(dòng)，在分果槽的出料口上加裝分級(jí)袋或者果籃，用來(lái)收集分離出分級(jí)機(jī)構(gòu)的紅橙。

2 電機(jī)型號(hào)的選擇

本文設(shè)計(jì)的滾筒從一級(jí)到四級(jí)每排的分級(jí)孔分別是5 個(gè)、5 個(gè)、4 個(gè)、4 個(gè)，每個(gè)滾筒每次分級(jí)最多有三排分級(jí)孔可以帶動(dòng)紅橙進(jìn)行下一級(jí)的分選，所以分級(jí)機(jī)構(gòu)一次最多可以帶動(dòng)54 個(gè)紅橙進(jìn)行分級(jí)。為了使紅橙進(jìn)入分級(jí)機(jī)構(gòu)的速度與分級(jí)機(jī)構(gòu)滾筒的轉(zhuǎn)速一致，需分析喂料機(jī)構(gòu)輸送帶的轉(zhuǎn)速。分級(jí)機(jī)構(gòu)平均每分鐘需要分級(jí)300 個(gè)紅橙，則喂料機(jī)構(gòu)每分鐘需要喂入分級(jí)機(jī)構(gòu)300 個(gè)紅橙。假設(shè)相鄰兩根滾杠之間平均每次可帶動(dòng)5 個(gè)紅橙，且滾杠間距為70 mm，取安全系數(shù)為2，則喂料機(jī)構(gòu)每分鐘輸送紅橙的距離為：

由上式可得，喂料機(jī)構(gòu)輸送紅橙的速度為：

查閱資料可知，平均單個(gè)紅橙的重量為165 g，即喂料機(jī)構(gòu)每分鐘輸送紅橙的總質(zhì)量為：

本文設(shè)計(jì)的喂料機(jī)構(gòu)和分級(jí)機(jī)構(gòu)均采用鏈輪傳動(dòng)，而鏈傳動(dòng)平均傳動(dòng)比準(zhǔn)確，傳動(dòng)效率高，軸間適應(yīng)范圍較大，能在溫度較高、濕度較大的環(huán)境中使用[5]。兩個(gè)機(jī)構(gòu)均采用z=21 齒的鏈輪[6]，因此傳動(dòng)比為1，采用鏈號(hào)為16B 的鏈條，根據(jù)《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》[7]可查得，鏈號(hào)為16B的鏈條的節(jié)距為p=25.4 mm。

則鏈輪的分度圓直徑為：

則可算得喂料機(jī)構(gòu)的鏈輪轉(zhuǎn)速[8]為：

鏈輪帶動(dòng)紅橙運(yùn)動(dòng)的最小受力F1為：

式中，μ——紅橙和滾杠的摩擦系數(shù)，因?yàn)榧t橙是在兩根滾杠之間，故μ=1；m——運(yùn)輸紅橙的總質(zhì)量，由上述可知，m=49.5 kg；ɡ——重力加速度，取ɡ=9.8 m/s2；θ——鏈條與水平面所成夾角，經(jīng)測(cè)量得θ=4.92°。

根據(jù)上述數(shù)據(jù)，可算得：

因此，電機(jī)帶動(dòng)喂料機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)的功率為：

由上文可知，分級(jí)機(jī)構(gòu)中的滾筒一次性帶動(dòng)紅橙所要承受的最多的力為：

式中，m1——54 個(gè)紅橙的總質(zhì)量。

在設(shè)計(jì)時(shí)，需要考慮到裝備的損壞與安全問(wèn)題，取安全系數(shù)k=2，因此電機(jī)需要為滾筒提供的轉(zhuǎn)矩為：

式中，R——滾筒半徑，R=0.125 m。

因?yàn)榉旨?jí)機(jī)構(gòu)的滾筒和喂料機(jī)構(gòu)的輸送帶轉(zhuǎn)速一致，因此n1=n2=15.75 r/min，則根據(jù)上述數(shù)據(jù)可算得電機(jī)在分級(jí)機(jī)構(gòu)中所需的功率為：

故電機(jī)所需的總功率為：

根據(jù)計(jì)算的結(jié)果，考慮價(jià)格等因素，選擇的電機(jī)型號(hào)為R37~167-37 的邁傳斜鏈輪減速電機(jī)，參數(shù)如表1所示。

表1 R37~167-37的邁傳斜鏈輪減速電機(jī)參數(shù)

3 關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的校核

3.1 鏈輪的強(qiáng)度校核

本文設(shè)計(jì)的鏈輪是將電機(jī)的功率傳遞到滾筒的轉(zhuǎn)動(dòng)軸和喂料機(jī)構(gòu)的前軸上，以此帶動(dòng)滾筒和喂料機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)，擬定電機(jī)轉(zhuǎn)軸上兩個(gè)鏈輪的材料為45 號(hào)鋼，做調(diào)質(zhì)處理，鏈輪齒數(shù)均為z=21，傳動(dòng)比為1；采用鏈號(hào)為16B 的鏈條，其節(jié)距為p=25.4 mm，分度圓直徑為D=170.42 mm，即半徑為r=85.21 mm。

由公式（7）可知，鏈輪所受到的力為F1=526.7 N，由此可算得電機(jī)帶動(dòng)鏈輪轉(zhuǎn)動(dòng)所需的轉(zhuǎn)矩為：

在對(duì)電機(jī)選型中的計(jì)算可知，電機(jī)需要提供給喂料機(jī)構(gòu)的功率為P1=0.074 kW，鏈輪的轉(zhuǎn)速為n1=15.75 r/min。

鏈輪所受的約束反力為：

喂料機(jī)構(gòu)的前軸的長(zhǎng)度為L(zhǎng)1=838 mm，經(jīng)測(cè)量，鏈輪約束點(diǎn)到前軸端點(diǎn)的距離L2=106 mm。可以算得鏈輪的彎矩為：

根據(jù)查閱的資料[9]可得，第三強(qiáng)度校核公式為：

式中，M1——鏈輪所受彎矩，由式（15）知M1=663.18 N·m；T2—— 電機(jī)對(duì)鏈輪的扭矩，由式（1 3）知T2=44.88 N·m；W——抗彎截面系數(shù)，易計(jì)算得；[σ]——45 鋼的許用應(yīng)力，查閱資料[10]可知，取[σ]=120 MPa。

代入數(shù)據(jù)計(jì)算得，彎曲應(yīng)力為：

綜上所述，鏈輪的強(qiáng)度符合要求，可以使用。

3.2 分級(jí)機(jī)構(gòu)的軸承校核

分析紅橙自動(dòng)分級(jí)裝備整體對(duì)軸承的受力，軸承主要受徑向力而不受軸向力，具體如表2 所示，其徑向動(dòng)載系數(shù)和軸向動(dòng)載系數(shù)分別為X=1，Y=0。通過(guò)分析，該分級(jí)裝備重量大概為20 kg，則分級(jí)機(jī)構(gòu)的軸承當(dāng)量動(dòng)載荷為：

表2 徑向動(dòng)載荷X和軸向動(dòng)載荷Y

式中，F(xiàn)r——滾筒一次性帶動(dòng)紅橙所要承受的最多的力和分級(jí)裝備重力的總和。

本文設(shè)計(jì)的分級(jí)裝備，一天工作8 h，每年工作300 d，使用壽命10 年，則分級(jí)機(jī)構(gòu)軸承的預(yù)估壽命為：

由公式（5）可知，鏈輪的轉(zhuǎn)速n1=15.75 r/min，則分級(jí)機(jī)構(gòu)軸承的基本額定載荷值為：

根據(jù)《機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》[11]，深溝球軸承型號(hào)參照表如表3 所示，依據(jù)本文設(shè)計(jì)的分級(jí)機(jī)構(gòu)軸承直徑d=35 mm，選取型號(hào)為6007 的深溝球軸承，其額定載荷為Cr=19.8 kN。

表3 深溝球軸承型號(hào)參照表

校核分級(jí)機(jī)構(gòu)軸承的公式為：

代入數(shù)據(jù)得：綜上所述，通過(guò)對(duì)分級(jí)機(jī)構(gòu)軸承的校核，所采用的分級(jí)機(jī)構(gòu)軸承符合本文設(shè)計(jì)的要求。

4 總結(jié)

本文為實(shí)現(xiàn)廉江紅橙的優(yōu)質(zhì)優(yōu)價(jià)，設(shè)計(jì)了一款滾筒式自動(dòng)分級(jí)裝備。在本次設(shè)計(jì)過(guò)程中，為了更直觀地展現(xiàn)出紅橙自動(dòng)分級(jí)裝備，首先利用SolidWorks三維建模軟件進(jìn)行1∶1 的模型建構(gòu)，將分級(jí)裝備分為喂料機(jī)構(gòu)、分級(jí)機(jī)構(gòu)等進(jìn)行裝配體配合，完成三維實(shí)體的建模，確保結(jié)構(gòu)的可裝配性；其次，根據(jù)裝備的需求，計(jì)算出該裝備傳動(dòng)時(shí)所需的功率，從而完成電機(jī)的選型；最后，對(duì)分級(jí)裝備的鏈輪和軸承等關(guān)鍵結(jié)構(gòu)進(jìn)行校核計(jì)算，以確保裝備設(shè)計(jì)的合理性。